Inżynierowie produkują najdłuższą na świecie elastyczną baterię światłowodową
MITNaukowcy opracowali akumulator litowo-jonowy wielokrotnego ładowania w postaci bardzo długiego włókna, które można wpleść w tkaniny. Bateria może obsługiwać szeroką gamę urządzeń elektronicznych do noszenia, a nawet może być wykorzystana do produkcji baterii drukowanych w 3D w praktycznie dowolnym kształcie.
Badacze przewidują nowe możliwości dla samozasilających się urządzeń komunikacyjnych, wykrywających i obliczeniowych, które można nosić jak zwykłą odzież, a także urządzeń, których baterie mogą również służyć jako części konstrukcyjne. W ramach weryfikacji koncepcji zespół odpowiedzialny za nową technologię akumulatorów wyprodukował najdłuższą na świecie elastyczną baterię światłowodową o długości 140 m. Prowadzący prace to naukowcy: Tural Khudiyev (obecnie adiunkt na National University of Singapore), Jung Tae Lee (obecnie profesor na Uniwersytecie Kyung Hee) i Benjamin Grena SM '13, PhD '17 (obecnie w Apple). Współautorami są profesorowie MIT Yoel Fink, Ju Li i John Joannopoulos, a także grupa kolejnych kilku naukowców z MIT i współpracowników.
Naukowcy, w tym członkowie tego zespołu, już wcześniej zademonstrowali włókna zawierające szeroką gamę elementów elektronicznych, w tym diody elektroluminescencyjne (LED), fotoczujniki, systemy komunikacyjne i cyfrowe. Wiele z nich jest odpornych na warunki środowiskowe, dzięki czemu można je stosować w produktach do noszenia. Do tej pory wszystkie opierały się na zewnętrznym źródle zasilania. Nowa bateria światłowodowa może umożliwić takim urządzeniom całkowitą niezależność. Owa bateria światłowodowa jest wytwarzana przy użyciu nowatorskich żeli akumulatorowych i standardowego systemu ciągnienia włókien, który zaczyna się od większego cylindra zawierającego wszystkie komponenty, a następnie podgrzewa go do temperatury tuż poniżej temperatury topnienia. Materiał jest wciągany przez wąski otwór, aby skompresować wszystkie części do ułamka ich pierwotnej średnicy, przy jednoczesnym zachowaniu oryginalnego układu części.
Khudiyev mówi, że całość została skonstruowana z kluczowych materiałów po zewnętrznej stronie włókna. Ten system osadza lit i inne materiały wewnątrz włókna, z ochronną powłoką zewnętrzną, dzięki czemu jest to wersja stabilna i wodoodporna. To pierwsza demonstracja baterii światłowodowej o długości poniżej kilometra, wystarczająco długiej i bardzo wytrzymałej, by znaleźć dla niej zastosowanie praktyczne.
Fakt, że naukowcom udało się wykonać 140-metrową baterię światłowodową, pokazuje, że „nie ma oczywistej górnej granicy długości. – Zdecydowanie moglibyśmy zrobić długość w skali kilometrowej – twierdzi jedna z osób zaangażowanych w projekt. Urządzenie demonstracyjne wykorzystujące nową baterię światłowodową zawierało system komunikacyjny Li-Fi, czyli taki, w którym impulsy światła są wykorzystywane do przesyłania danych, a także mikrofon i przedwzmacniacz, tranzystor i diody do ustanowienia optycznego łącza danych między dwoma urządzeniami z tkaniny.
– Kiedy osadzamy aktywne materiały we włóknie, oznacza to, że wrażliwe komponenty akumulatora mają już dobre uszczelnienie – tłumaczy Khudiyev. – Wszystkie aktywne materiały są bardzo dobrze zintegrowane, więc nie zmieniają swojej pozycji podczas rysowania. Ponadto uzyskana bateria światłowodowa jest znacznie cieńsza i elastyczniejsza, co daje współczynnik kształtu, czyli ułamek długości do szerokości, do miliona. To znacznie przewyższa inne konstrukcje i sprawia, że praktyczne jest stosowanie standardowego sprzętu tkackiego do tworzyć tkaniny zawierającej baterie, a także systemy elektroniczne.
Wyprodukowane do tej pory 140-metrowe włókno ma zdolność magazynowania energii 123 miliamperogodzin, co pozwala na naładowanie smartwatcha lub telefonu. Urządzenie włókniste ma grubość zaledwie kilkuset mikronów, więc jest cieńsze niż jakiekolwiek wcześniejsze próby wytwarzania baterii w postaci włókien.
– Unikatowość naszego podejścia polega na tym, że możemy osadzić wiele urządzeń w pojedynczym światłowodzie – mówi Lee. – W przeciwieństwie do innych podejść, które wymagają integracji wielu urządzeń światłowodowych. Zademonstrowana integracja diody LED i akumulatora litowo-jonowego w jednym włóknie może stanowić dowód na to, że w przyszłości na tak małej przestrzeni da się połączyć więcej niż trzy lub cztery urządzenia. – Kiedy połączymy te włókna zawierające wiele urządzeń, agregat przyspieszy realizację kompaktowego komputera tekstylnego.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Oprócz pojedynczych włókien jednowymiarowych, z których można utkać dwuwymiarowe tkaniny, materiał ten może być również wykorzystany w druku 3D lub w systemach o niestandardowych kształtach do tworzenia stałych obiektów, takich jak osłonki, które mogłyby zapewnić zarówno strukturę, jak i urządzenie, oraz źródło zasilania. Aby zademonstrować tę zdolność, zabawkowy okręt podwodny owinięto włóknem akumulatora, w celu zapewnienia jej mocy. Włączenie źródła zasilania do konstrukcji takich urządzeń może obniżyć całkowitą wagę, a tym samym poprawić wydajność i zasięg.
– To pierwsze drukowanie 3D urządzenia z baterią światłowodową – oznajmia Khudiyev. – Po wydrukowaniu nie trzeba nic więcej dodawać, ponieważ wszystko jest już we włóknie, wszystkie metale, wszystkie materiały aktywne.
Zespół złożył już wniosek o patent na ten proces i nadal opracowuje dalsze ulepszenia w zakresie mocy i wariacje materiałów wykorzystywanych do poprawy wydajności. Takie baterie światłowodowe mogą być gotowe do użycia w produktach komercyjnych w ciągu kilku lat.
– Elastyczność kształtu nowego ogniwa akumulatorowego umożliwia projektowanie i zastosowania, które nie były wcześniej możliwe – mówi Martin Winter, profesor chemii fizycznej na Uniwersytecie w Muenster w Niemczech, który nie był zaangażowany w te prace. Nazywając te działania bardzo kreatywnymi, dodaje: – Ponieważ większość prac akademickich dotyczących akumulatorów obecnie skupia się na przechowywaniu w sieci i pojazdach elektrycznych, to wspomniana inicjatywa stanowi wspaniałe odejście od głównego nurtu.
Badania były wspierane przez program MIT MRSEC Narodowej Fundacji Nauki i Laboratorium Badawcze Armii USA za pośrednictwem Instytutu Nanotechnologii Żołnierza, program stypendiów dla absolwentów Narodowej Fundacji Nauki oraz Koreańską Narodową Fundację Badawczą.
Źródło: MIT
